光通信原理与技术8.ppt
《光通信原理与技术8.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光通信原理与技术8.ppt（146页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
光通信原理与技术星间激光通信概述星间激光链路的种类光学天线PAT子系统通信子系统多普勒效应的影响8.1概述卫星通信系统简介星间激光通信的提出及其优势星间激光通信的发展现状星间激光通信系统构成卫星通信系统简介什么是卫星通信？
卫星通信是利用人造地球卫星作为中间中继站来转发电磁信号，在两个或多个地球站、宇宙站之间进行信息交换和信息传输的通信方式，是微波中继通信技术和航天技术结合的产物。
美国国防部是最早进行卫星通信开发的。
1965年，国际通信卫星组织（INTELSAT）成立，并发射了第一颗静止国际通讯卫星，正式开展卫星通信业务。
我国的通信卫星研制始于20世纪70年代331卫星通信工程的实施，到1984年4月，成功发射了第一颗同步通信卫星并投入使用，标志着我国通信卫星从研制转入实用阶段。
迄今为止，卫星通信已经进入军事侦察、通信广播、电视直播、导航定位、气象预报、资源探测和灾害预防等国防和民用的各个领域，成为现代社会中不可或缺的通信手段。
卫星通信系统构成卫星通信系统主要由空间分系统、通信地球站、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统组成。
其中，跟踪遥测及指令分系统负责对卫星的轨迹、位置及姿态进行监视和校正，监控分系统负责对卫星的性能及参数进行业务开通前的监测和业务开通后的例行监测；空间分系统即通信卫星。
和其他通信方式相比较，卫星通信具有通信距离远、通信面积大、费用与通信距离无关、通信频带宽、可多址通信、适合多业务等优点，迎合了通信国际化的大趋势，在现代通信中的地位日益重要。
星间光通信的提出及其优势用光进行空间通信的设想最早可追溯到1945年ArthurClarke发表在无线电世界上的一篇文章。
在这篇文章中，提出了在卫星间进行光通信的设想，但限于当时的技术水平，这一设想未受到重视。
随着1960年以后激光技术和空间技术的发展，星间激光通信成为可能，不少国家注意到了激光用于卫星间通信的优势。
星间激光通信的优势：
（1）光载波频率高
（2）半导体光源功耗小、转换效率高（3）光波波长短，收发天线尺寸小、重量轻（4）用作信息载体的激光光束发散角极小（5）抗干扰性强星间激光通信的发展现状1、美国美国开展空间光通信方面的研究最早，于20世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划，是技术走在最前沿的国家之一。
美国最主要的研究部分有美国国家航空航天局（NASA）和美国空军，NASA的喷气推进（JPL）实验室早在70年代就开始进行卫星激光通信的研究工作，其他的如林肯实验室、贝尔实验室等著名研究机构也都开展了空间激光链路的研究。
美国空间光通信研究的历史展示了随着技术的进展空间光通信技术不断改进的过程。
在刚开始进行空间光通信的研究时，选用的光源是CO2激光器，随着激光器的发展，空间光通信系统选用的光源也不断发生变化，现在研制的空间光通信系统的星上光源都选用半导体激光器。
以美国著名的JPL实验室近几年研制的一套空间光通信系统为例，在该系统中分别采用波长为810nm和852nm的GaAlAs半导体激光器作为通信光源和信标光源，调制方式为直接电流调制。
此外，一开始星间激光通信的应用是高码率的同步卫星间（GEO-GEO）光连接和低码率的深空光中继，此后，随着体积小、重量轻和成本低的近地卫星（LEO）的增多，以及相应的关键技术和元器件的发展，激光通信的应用逐步扩展到LEO-LEO、LEO-GEO、LEO-地面站和LEO-飞机的光通信链路。
2000年6月7号成功的发射了空间技术研究卫星STRV-2。
该卫星包含了一套先进的光通信技术试验装置，它是美国弹道导弹防御署（BMDO）和英国防御部的防御评估和研究署合作开发的。
STRV-2激光通信系统的数据传输率为1.0Gb/s，传输距离为1800km，质量为14.3kg。
为了提高系统的数据率，美国也进行了星间光通信的光波复用研究。
前述JPL研究的装置采用了波长相同、但具有不同偏振方向的两路光通道进行数据传输，每路通道传输数据率为600Mb/s，从而使整个数据的通信率达到1.2Gb/s，这是提高空间光通信系统数据率的一种有效方法。
另一种方法是波分复用（WDM），即在空间光通信系统中采用多个波长的光源同时传递数据，构成多路通道，如美国MITRE公司以美国第二代中继星TDRSSII为背景需求而研制的波分复用方法。
在该空间光通信模拟实验系统中，波长分别为810nm、830nm及860nm的三个半导体激光器构成三个通道。
在接收端，利用干涉滤光片将三个不同波长的光信号分开。
2、欧洲欧洲空间局（ESA）于1977年夏就开展了高数据率空间激光链路研究，至今欧洲空间局在空间通信方面进行了二十余年的工作。
EAS先后在空间光通信研究方面制定了一系列计划，有步骤地开展对空间光通信各项技术的研究，现已在该领域的一些关键技术方面处于明显的领先地位。
EAS研制的Artemis卫星于2001年升空，主要用于LEO到GEO数据中继应用。
其中一个链路是采用光链路，该链路两端使用相同的ISL端机，并且可以同位于Canary岛的地面站进行通信。
半导体星间激光链路试验（SILEX）装置用于LEO和GEO光通信的SILEX光通信端机，由马特拉马科尼空间公司完成并集成到Artemis和地球观测卫星SPOT-4上。
该系统采用800nm波段的半导体激光器作为光源，SILEX光端机采用25cm天线孔径，其特征类似于日本发射的激光通信工程试验卫星（OICETS）。
SILEX通信最大距离为45000km。
通信速率从低轨星到同步星为50Mb/s，而从同步卫星到低轨卫星则为2Mb/s。
ESA或欧洲国家还针对不同的应用，研制了一系列满足不同需要的星间链路通信光端机，如下表3、日本日本于20世纪80年代中期开始光学空间通信研究工作。
主要有邮政省的通信研究室（CRL）、宇宙开发事业团（NASDA）及高级长途通信研究所（ATR）的光学及无线电通信研究室。
日本主要是对两个自由空间光通信系统进行研究和试验，一个是NASDA支持的安装于OICETS上的激光应用通信设备（LUCE）系统，另一个是CRL研制的安装于ETS-VI的激光通信设备（LCE）系统，这是两个十分引人注目的空间光通信研究计划。
尽管日本开展空间光通信研究比美国和欧洲空间局晚，但是进展迅速。
1995年6月，日本的技术实验卫星与美国大气观测卫星成功的进行了8分钟的双向激光通信；同年7月，成功的在日本的工程实验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星-地双向链路的光通信实验，这是世界上首次成功进行的星地光通信实验。
日本星地链路双向光通信实验的成功，进一步证明了空间光通信中难度最大的链路-星地链路的可行性。
此外，日本还在OICETS计划中，积极研制专用于进行空间光通信系统实验的小型光学星间通信工程试验卫星（OICETS）。
4、国内研究状况国内在星间激光通信方面的研究工作尚处于起步阶段，仅限于对星间激光通信方案的预研。
比较有代表性的单位有电子科大物理电子学院所属的激光通信实验室，其初期工作主要是进行基于大气信道的空间激光通信，先后研制成功了3路、60路和960路激光大气通信系统，后成功研制出能完成空间光的捕获、对准和跟踪的PAT装置及其伺服平台。
另外北京大学、哈尔滨工业大学等单位也开展了这方面工作。
星间激光通信系统的构成一个星间激光通信系统通常由光发送机、光接收机、合/分束元件、光学收/发天线及其伺服平台、PAT子系统等部件构成。
星间激光通信系统可分为若干子系统，包括信号子系统、光学天线平台、瞄准捕获跟踪（PAT）子系统等。
其中，信号子系统包括调制器、信号光源、光电检测、接收机等，负责光信号的产生与还原；光学天线平台包括光学收发天线、精瞄装置、粗瞄装置及合/分束器，负责实现激光光束的发送和接收；PAT子系统包括信标信号、信标光源、误差检测、误差信号处理、控制计算机、伺服机械、精瞄/粗瞄跟踪装置等，负责激光束的精确指向及跟踪。
星间激光链路的种类根据卫星种类的不同，星间激光链路可分为：
1、轨道高度小于1000km的低轨道卫星（LEO）与36000km高的同步轨道上的同步卫星（GEO）间的链路，一般称此为轨道间链路（IOL）2、同步轨道卫星间链路（GEO-GEO链路），称为星间链路（ISL）3、低轨道卫星间的链路（LEO-LEO）4、同步轨道卫星或低轨道卫星与地面站之间的链路，即星地激光链路GEO-LEO激光链路低轨道与同步卫星之间的激光链路，主要指低轨道上的用户卫星与同步轨道上的数据中继卫星（TDRSS）之间的链路。
由于卫星位于大气层以上，不受大气衰减的影响，因此，在星间链路中用光波进行通信具有突出的优点和巨大的潜力，主要技术问题有：
1、光波波长选择2、探测、调制、解调技术、光学多路复用技术等研究3、光学信号的瞄准、捕获和跟踪技术研究GEO-GEO激光链路在GEO-GEO激光链路中，由于两颗同步卫星间无相对运动，保持相对静止，这使激光链路的瞄准、跟踪、捕获难度降低。
因此，GEO-GEO激光链路与LEO-GEO激光链路相比，其发射、接收、调制、解调、滤波、放大各子系统基本上相同，但是瞄准、跟踪、捕获子系统要相对简单一些。
LEO-LEO激光链路最近几年采用低轨道或中轨道卫星的全球通信网络系统受到多方重视，在不久的将来，一些在轨卫星系统将得到发展。
在这些系统中，有的没有建立星间链路，而是通过地面中继站进行全球通信；有的虽然采用星间链路，但在星间链路中采用微波频段。
由于星间激光链路与微波频段链路相比具有更大的容量，因而光学星间链路在将来系统中将被使用。
此外，星间链路还要求用户终端有更小的天线和发射机，而光学波段可以减少链路子系统的重量和体积。
ESA小光学用户终端研究计划中小光学用户终端（SOUT）的质量仅为25kg，功耗不超过40W。
而该计划的甚小光学用户终端VSOUT）体积更小、质量更轻、功耗更小，质量只有10kg，功耗仅为20W。
20世纪90年代初，各国的空间光通信思想主要由数据中继统治。
然而，随着时间的推移，将来一些潜在的中继数据用户将消失，而中低轨道小卫星间激光链路作为一种新型的、潜在的星间激光链路，正在被推广应用在移动通信和多种方式对话的广大的小卫星网络中。
由于这些新的远景的推动，ESA在1991年开始了基础研究，调研了商业卫星对小型激光终端潜在的需求、可能的设计及解决办法。
采用了新型的衍射光学技术和先进的微系统设计原理，使得设计很小的、更轻的系统成为可能。
星地激光链路全长500-40000km不等的星地激光链路中，必须另行考虑的大气信道长度仅约12km，占全长度的比例非常小，但正是这比例很小的大气信道给星地激光通信带来了同其他星间激光通信完全不同的特点。
相比较而言，星地激光通信要面对的问题与大气激光通信面临的问题非常类似，主要需要考虑大气对激光束的衰减、散射以及大气湍流对激光束光强的闪烁效应等。
所不同的是，近地大气激光通信通常不用考虑云层的影响，但这是在星地激光通信中必须考虑的问题，此外，LEO-地面的星地链路还需要考虑PAT问题。
光学天线自由空间损耗电磁波辐射理论指出，一个全向点光源辐射的电磁波在自由空间中传播时，其自由空间传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比，以dB为单位，则有式中d为传播距离，为工作波长，单位均为m。
卫星运行在地球外层空间的轨道上，相距遥远。
以覆盖全球的三颗静止轨道卫星为例，其星间距为73000多千米，低轨道卫星的星间距小一些，但与近地大气激光通信的传输距离相比仍然很大，如著名的铱系统，其同轨道相邻卫星间距离也达到4000多千米。
如果使用目前在光纤通信中广泛使用的红外波段的半导体激光器作为光源（波长选1550nm），可以计算出其自由空间损耗分别为295dB和270dB。
这是非常大的损耗，因为在光纤通信中，一个2.5GB/s的光系统典型的光功率预算仅为20-30dB。
光学天线增益面天线理论研究表明，天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比，即式中G为天线增益，单位为dB；D为光学天线的口面直径，为工作波长，单位均为m；为天线效率，是一个小于1的正数，无单位。
由于光波波长很短，星间激光通信使用的光学天线以较小的口径即可获得很大的天线增益。
按光波波长1550nm、天线效率10%考虑，一个口径为20cm的光学天线的天线增益即可达102dB，发送天线和接收天线共可提供204dB的天线增益。
星间激光通信中的光学天线星间激光通信中常使用折射式光学天线和反射式光学天线。
折射式光学天线多用于LEO-LEO这类对天线增益要求较低的激光链路之中，通常天线口径在5-10cm，而大口径透镜在磨制、装配上均存在一定的难度，且重量不轻，因此对IOL和GEO-GEO这类需要较大天线增益的激光链路，折射式光学天线的应用受到较大的限制。
反射式光学天线在重量、像差、加工装配难度方面则更具优势。
反射式光学天线的种类按反射镜面的个数可以把反射式天线分为单反射面天线和双反射面天线。
双反射式天线有两个反射面，其中主反射面口径较大，通常为旋转抛物面；副反射面口径较小，根据副反射面的不同情况又可分为牛顿式，卡塞格伦（Cassegrain）式和格雷果里（Gregorian）式。
牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，倾斜安装于反射光路中，成像于主镜的侧方。
卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，其内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处。
格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭球面，其近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处。
光学天线类型选择1、工作可靠性高2、光能损失小，效率高，增益足够大3、便于光路设计4、工艺成熟、加工精度容易保证，同时天线本身对加工精度、装配精度的敏感性低5、重量轻综合考虑，通常认为星间激光通信宜使用卡塞格伦天线。
原因为：
1、工艺成熟，可靠性高2、副镜口径小，光路中没有实焦点3、重量轻，成本低，损耗小4、光学元件数量少5、便于光路设计卡塞格伦式光学天线分析增益及方向性主镜M口径为2a，副镜N口径为2b。
首先，假定初级反射口径面具有以下电场分布式中为激光束半径，R为波阵面曲率半径，k为波数。
对于固体激光器，输出波束为圆对称且电场满足高斯分布；而对于半导体激光器，可采用单模光纤将椭圆波束转化为圆波束，或利用光学透镜实现椭圆波束到波束的转化。
其次，对输入光功率归一化，也就是假定口径平面输入光功率为一，即据上两式，可得因此对于菲涅尔近似场区的辐射场，采用基尔霍夫积分得到观察点的强度分布为各向均匀辐射器的强度分布则为光学天线增益的定义为：
来自天线的辐射强度与全向点源辐射强度的比值。
则天线增益为定义，遮挡率，则有式中D=2a为天线口径，为天线增益效率因子，为令X=0，可得天线的主轴增益因子为当接收点远离天线时（远区场），有，此时根据微扰理论可以得出，最佳遮挡率和口径的关系为当天线主镜口径为20cm，副镜口径为4cm时，遮挡率为0.2，此时可得最佳值为1.07，相应的激光束束腰半径为9.33cm，这可通过设计主、副镜的焦距及位置对原始激光束扩束获得。
当工作于1550nm波长时，可得该天线主轴远区场增益为110.7dB。
卡塞格伦光学天线的辐射具有方向性。
激光扩束半导体激光器发出的激光束经准直系统变换为圆形高斯光束后，位于副镜N的左焦点F1，并向右出射到副镜N，这段空间内的光束记作光束，其束腰大小为；副镜N为旋转双曲面反射镜，其右焦点F2与主镜焦点重合，将光束反射至主镜M，这段空间内的光束记作光束，其束腰大小为；主镜为旋转抛物面，将光束反射到空间中，形成光束，其束腰大小为。
卡塞格伦天线主镜M的焦距为f，副镜N的左焦距为，右焦距为光束经双曲反射面N变换为照射光束时，等效为透镜放大镜系统变换。
光束的束腰位于左焦点时，光束的束腰应位于右焦点，且有式中为副镜N的放大系数。
由矩阵光学易知，光束到光束变换时，其复变换矩阵为式中d为光束的束腰到主镜M顶点之距离，l为光束的束腰到到主镜M顶点之距离。
根据矩阵光学ABCD率，从光束到光束的复曲率q的变换公式为将ABCD的值代入可得当d=f时，即主镜M的焦点与副镜N的右焦点重合时，有这就意味着光束的束腰位置与光束的束腰位置是重合的。
PAT子系统光束发散角圆形口面的天线的波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比，以弧度为单位，则有式中，为天线主瓣半功率角宽度，单位为rad；D为天线口径；为天线工作波长。
当天线口径为20cm、工作波长为155nm时，其3dB光束发散角仅为7.9rad。
相比而言，微波面天线的发散角要大得多，即便是工作在Ka波段的微波天线，设其波载频率为30GHz，天线口径为1m，则其波束发散角发散到了10mrad，比前述光学天线的发散角大1000倍以上。
图为工作波长为1550nm时天线增益与出射光束发散角的变化关系图。
瞄准误差与天线增益的关系由于光学天线增益高、光束发散角小，因此天线的瞄准误差对天线增益有很大的影响，天线口径越大，工作波长越短，其出射光束的发散角也就越小，瞄准误差造成的天线增益下降也就越严重。
对25cm的光学天线，工作于1550波长时，如果要将天线增益变化控制在3dB以内，则其瞄准误差不能超过3.5rad星间激光通信中的PAT子系统由于光束发散角极小，瞄准精度要求很高，在星间激光通信中，仅仅依靠卫星的相对位置计算，采用开环方式实现通信双方光束的相互瞄准是不可能达到精度要求的。
星间激光通信必须采用更精确更有效的方式和算法实现通信卫星间通信光束的相互瞄准；此外，在光束对准进入通信状态后，由于各种干扰因素，可能导致通信光束的指向偏离最佳方向，造成通信质量下降甚至完全阻断通信。
因此，在通信状态下，星间激光通信系统还必须有效地实现通信光束的自适应对准，即跟踪。
在激光通信系统中，上述功能由瞄准、捕获、跟踪（PAT）子系统实现。
简言之，PAT系统的任务就是完成进行通信双方的光学天线的精确对准以达成通信，并通过跟踪的方法来克服各方面的扰动以维持正常的通信质量。
在对准的过程中，主要考虑保证足够小的捕获时间，以便快速建立通信；在跟踪过程中，主要考虑跟踪精度以保证通信的有效性。
PAT子系统的构成：
（1）信标光源
（2）开环瞄准功能单元（3）捕获（4）跟踪子系统（5）光束方向驱动子系统PAT中的误差检测器件1、电荷耦合器件电荷耦合器件（CCD）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。
它由美国贝尔实验室的S.Bole和G.E.Smith于1970年首先提出，在经历了一段时间的研究后建立起以一维势阱为基础的非稳态CCD基本理论。
20年来CCD的研究取得了巨大的进展，并在图像跟踪、图像制导、卫星侦察等领域取得了广泛的应用。
CCD器件是一种优良的感光器件，其优点主要有：
（1）CCD器件是一种固体化器件，具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠性高，寿命长的优点
（2）具有理想的“扫描”线性，可以进行像素寻址，可以变化“扫描”速度，畸变小，尺寸重现性好。
（3）有很高的空间分辨率（4）有数字扫描能力（5）光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度（6）具有很高的光电灵敏度和大的动态范围CCD有两大类型：
线阵和面阵，在星间激光通信的PAT子系统需要使用面阵CCD。
二者的基本单元均为金属-氧化物-半导体结构。
在P型硅上沉积SiO2氧化物绝缘层，借助光刻技术在其上形成阵列式电极，构成金属-氧化物-半导体阵列电容器结构。
当栅极施加正向偏压V并高于P型半导体的阈值电压Vth时，金属电极将P型半导体中的少数载流子电子吸引到金属电极表面，形成一层极薄但电荷浓度极高的反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。
CCD通常与光学成像系统配合使用，由前者将景物图像成像在CCD的MOS电容阵列上。
光子穿过透明的氧化层进入衬底后，衬底中处于价带的电子将会吸收光子的能量而跃迁到导带，形成了电子-空穴对。
该电子-空穴对在外加电场的作用下，分别向两个电极移动，其中电子被移向正电荷，但被绝缘层阻挡，从而被存储在电极形成的“势阱”中。
光生电荷的多少取决于入射光子的数量（光强），因此也对应着入射到该MOS电容上的光强信息。
面阵CCD通常有上万个基本单元，因此不可能引出每个单元的信号。
在CCD中采用了电荷耦合移位的方法，将各基本单元产生的光生电荷移位到引出电极。
取CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察，假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的较低电压，如2V。
上图设图a为零时刻（初始时刻），经过在t1时间后，各电极上的电压变为图b，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，由于这两个电极靠得很近（间隔只有几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。
原来在第二个电极下的电荷变为变为这两个电极下的势阱共有，如图b和c所示。
此后电极上的电压变为图d所示，第二个电极电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第三个电极下面的势阱中，如图e所示。
由此可见，深势阱及点荷包向右移动了一个单元。
通过将一定规则变化的电压加到CCD各个电极上，电极下的点荷包就能沿半导体表面按照需要的方向移动出来。
在CCD中，通常先进行一算时间的曝光，时间长短视光强而定，目的是使光敏单元中积累足够多的光生电荷；然后将所有光敏单元中的光生电荷包一次性转移到移位CCD中；最后使用快速脉冲从移位CCD中串行读出。
读出期间可进行下一次曝光积分。
面阵CCD是按一定方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排成二维阵列，有多种排列方式。
上图这类CCD采用了光敏区与转移区相间排列的方式，再在垂直阵列的尽头上方设置了一条水平CCD，构成水平CCD的每一位与垂直列CCD一一对应并相互衔接。
当器件工作时，水平CCD的传输速率为垂直的Nh倍，Nh为垂直列数。
每当水平CCD驱动Nh次表示一行信息读完，就进入行消隐，在行消隐期间，垂直CCD向上传输一次，即向水平CCD转移一行信息电荷，然后水平CCD又开始新的一行信号读出。
依次循环，直至将整个一场信号读完，进入场消隐。
在场消隐期间，又将新一场光信号电荷从光敏区转移到各自对应的垂直CCD中，然后又开始新一场的信号电荷读出。
利用面阵CCD可获得图像信号和视频信号。
目前Si基CCD已非常成熟并被广泛应用在数码相机、摄像机上，其响应波长范围与SiPIN一样，在0.4-1.1m，光敏元尺寸可做到10m左右，像素可上千万，响应时间约在微妙数量级，灵敏度可低至0.01勒克司。
在星间激光通信中，使用较多像素的CCD可提供较大的视野，从而大大缩短捕获时间。
2、四象限探测器件四象限探测器件（4QD）是一种光电检测器件，与光电二极管不同的是，它将圆形的光敏面分作四个象限，每象限均有电极引出光电流。
当光束被会聚并落在4QD上时，如果光斑位置不在4QD的中心，则落在4QD各象限的光能量会出现差异，相应地，各象限的输出光电流也会产生差异。
对这些光电流进行处理即可获得光斑偏离中心点的误差信号。
建立如图所示的坐标系（坐标原点与几何中心合），用分别表示x、y轴上提取的误差信号，用I表示相应象限输出电流，用E表示相应的光能量，则有严格来讲，落在4QD上的光斑能量不是均匀分布，通常是高斯分布，要计算每项限的光能量必须采用积分的方法。
在要求不太高的情况下可以近似的把光斑看成均匀分布。
PAT中的光束方向调整装置光束调整装置接受开环瞄准、捕获、跟踪指令，实现光束的对准和跟踪。
主要要求有：
（1）运动精度
（2）对准范围（3）调整速度这些要求之间是存在一定矛盾的。
当要求天线对准范围大时，一般需要转动整个光学天线系统，而整个光学天线由于质量较大，不易满足调整速度要求，同时，高速调整整个天线也会引起运动精度较差的问题。
为解决这一矛盾，有必要将不同的需求分解处理，因此通常PAT子系统中设计有粗/精两套光束方向调整装置。
1、粗瞄装置任务是执行大范围的光束调整，调整精度应比较高，速度应尽可能快一些，但要求不严格，其调整速度主要影响捕获时间。
粗瞄装置有几种构成方式，包括多维万向节+光学天线、万向节+反射镜以及万向节终端等。
常用的万向节的维数为二维，也成双轴万向架，是粗瞄执行机
升级会员 